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DE69915851T2 - OPTICAL SENSOR WITH STACKED DIELECTRIC LAYERS - Google Patents

OPTICAL SENSOR WITH STACKED DIELECTRIC LAYERS Download PDF

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DE69915851T2
DE69915851T2 DE69915851T DE69915851T DE69915851T2 DE 69915851 T2 DE69915851 T2 DE 69915851T2 DE 69915851 T DE69915851 T DE 69915851T DE 69915851 T DE69915851 T DE 69915851T DE 69915851 T2 DE69915851 T2 DE 69915851T2
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DE
Germany
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sensor
dielectric
light
film stack
dielectric film
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A. William CHALLENER
M. James DEPUYDT
A. William TOLBERT
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GlassBridge Enterprises Inc
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Imation Corp
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection

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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

Gebiet der ErfindungTerritory of invention

Die vorliegende Erfindung betrifft generell das Gebiet der optischen Untersuchung und insbesondere einen optischen Sensor mit einem dielektrischen Folienstapel.The The present invention relates generally to the field of optical Investigation and in particular an optical sensor with a dielectric Film stack.

Hintergrund der Erfindungbackground the invention

Extrem empfindliche optische Sensoren werden durch Ausnutzen eines Effekts, der als Oberflächenplamsonresonanz (SPR) bekannt ist, konstruiert. Diese Sensoren sind in der Lage, das Vorhandensein einer Vielzahl von Materialien in Konzentrationen von Picomol pro Liter zu detektieren. SPR-Sensoren sind zum Detektieren zahlreicher Biomoleküle, einschließlich Keyhole-Limpet-Hemocyanin, α-Fetoprotein, IgE, IgG, Rinder- und Human-Serum-Albumin, Glucose, Harnstoff, Avidin, Lecithin, DNA, RNA, HIV-Antikörper, Human-Transferrin und Chymotrypsinogen, konstruiert. Ferner sind SPR-Sensoren gebaut worden, die Chemikalien, wie z. B. Polyazulen und Nitrobenzol und verschiedene Gase, wie z. B. Halothan, Trichlorethan und Kohlenstofftetrachlorid detektieren.Extreme sensitive optical sensors are made by exploiting an effect as surface plasmon resonance (SPR) is constructed. These sensors are able to the presence of a variety of materials in concentrations of Picomol per liter. SPR sensors are for detection numerous biomolecules, including Keyhole limpet hemocyanin, α-fetoprotein, IgE, IgG, bovine and human serum albumin, glucose, urea, avidin, Lecithin, DNA, RNA, HIV antibodies, Human transferrin and chymotrypsinogen. Furthermore, SPR sensors are built been the chemicals such. As polyazulen and nitrobenzene and different gases, such as. Halothane, trichloroethane and carbon tetrachloride detect.

Ein SPR-Sensor wird durch Sensibilisieren einer Oberfläche eines Substrats gegenüber einer spezifischen Substanz konstruiert. Typischerweise ist die Oberfläche des Substrats mit einer dünnen Metallfolie, wie z. B, aus Silber, Gold oder Aluminium, beschichtet. Als nächstes wird eine monomolekulare Schicht aus Sensibilisiermaterial, wie z. B. einem Komplementärantigen, kovalent mit der Oberfläche der dünnen Folie verbondet. Auf diese Weise ist die dünne Folie in der Lage, mit einer vorbestimmten chemischen, biochemischen oder biologischen Substanz zu interagieren. Wenn ein SPR-Sensor einer Probe ausgesetzt ist, die eine Ziel-Substanz enthält, verbindet sich das Substrat mit dem Sensibilisiermaterial und verändert den effektiven Brechungsindex an der Oberfläche des Sensors. Das Detektieren der Ziel-Substanz erfolgt durch Beobachten der optischen Eigenschaften der Oberfläche des SPR-Sensors.One SPR sensor is made by sensitizing a surface of a Substrate opposite a specific substance. Typically, that is surface the substrate with a thin metal foil, such as B, made of silver, gold or aluminum, coated. Next will be a monomolecular layer of Sensibilisiermaterial such. B. a complementary antigen, covalent with the surface of the thin Foil bonded. In this way, the thin film is able to with a predetermined chemical, biochemical or biological Substance to interact. When a SPR sensor is exposed to a sample that contains a target substance connects the substrate with the Sensibilisiermaterial and changed the effective refractive index at the surface of the sensor. Detecting the target substance is made by observing the optical properties the surface of the SPR sensor.

Es gibt zwei gängige Ausführungen eines SPR-Sensors. 1 zeigt einen auf einem Prisma basierenden SPR-Sensor 10, der die gängigste Form eines SPR-Sensors ist. Der Sensor 10 weist einen Einmal-Objektträger 20 auf, der auf einem festen Glasprisma 12 platziert ist. Der Objektträger 20 ist mit einer Metallfolie 16 beschichtet, und das Sensibilisiermaterial 22 ist in der Lage, mit der Ziel-Substanz 18 in der Probe 21 zu interagieren. Vor dem Platzieren des Objektträgers 20 auf dem Prisma 12 beschichtet ein Operator das Prisma 12 mit einer Antireflexionsbeschichtung 14, bei der es sich häufig um ein Fluid handelt, um zu verhindern, dass ein Lichtstrahl 24 reflektiert wird, bevor er die Metallfolienschicht 16 erreicht.There are two common versions of an SPR sensor. 1 shows a prism-based SPR sensor 10 , which is the most common form of SPR sensor. The sensor 10 has a disposable slide 20 on top of a solid glass prism 12 is placed. The slide 20 is with a metal foil 16 coated, and the Sensibilisiermaterial 22 is able to substance with the target 18 in the sample 21 to interact. Before placing the slide 20 on the prism 12 An operator coats the prism 12 with an antireflection coating 14 , which is often a fluid, to prevent a light beam 24 is reflected before the metal foil layer 16 reached.

Eine Lichtquelle 28 erzeugt den Lichtstrahl 24, der auf den Sensor 10 auftrifft. Der Sensor 10 reflektiert den Lichtstrahl 24 als Lichtstrahl 26, der von einem Detektor 30 empfangen wird. Bei einem spezifischen Auftreffwinkel des Lichtstrahls 24, der als Resonanzwinkel bekannt ist, erfolgen ein sehr effizienter Energietransfer und eine sehr effiziente Anregung des Oberflächenplasmons in der Metallfolie 16. Folglich zeigt das reflektierte Licht 26 eine Anomalie, wie z. B. eine starke Dämpfung, und kann der Resonanzwinkel des Sensors 10 leicht detektiert werden. Wenn sich die Ziel-Substanz 18 mit dem Sensibilisiermaterial 22 verbindet, erfolgt eine Verschiebung des Resonanzwinkels aufgrund der Veränderung des Brechungsindex an der Oberfläche des Sensors 10. Ein quantitatives Maß der Konzentration der Ziel-Substanz 18 kann anhand der Größe der Verschiebung des Resonanzwinkels berechnet werden.A light source 28 generates the light beam 24 that's on the sensor 10 incident. The sensor 10 reflects the light beam 24 as a ray of light 26 that of a detector 30 Will be received. At a specific angle of incidence of the light beam 24 , which is known as the resonance angle, carried out a very efficient energy transfer and a very efficient excitation of the surface plasmon in the metal foil 16 , Consequently, the reflected light shows 26 an anomaly, such as As a strong damping, and the resonance angle of the sensor 10 easily detected. If the target substance 18 with the sensitizing material 22 connects, there is a shift of the resonance angle due to the change in the refractive index at the surface of the sensor 10 , A quantitative measure of the concentration of the target substance 18 can be calculated by the magnitude of the shift of the resonance angle.

Eine zweite gängige Ausführung eines SPR-Sensors, der als auf einem Beugungsgitter basierender SPR-Sensor bekannt ist, beinhaltet die Verwendung eines Metall-Beugungsgitters anstelle eines Glasprismas. 2 zeigt einen auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensor 40, in dem ein Substrat 45 derart ausgebildet ist, dass es sinusförmige Nuten aufweist. Bei auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren liegt die Periode des Nutprofils des Substrats 45 typischerweise zwischen 0,4 μm und 2,0 μm. Eine dünne Metallfolie 42 ist außerhalb der Oberfläche des Substrats 45 aufgebracht und weist ein geeignetes Metall auf, wie z. B. Aluminium, Gold oder Silber. Bei einer Ausführungsform weist die Schicht 42 Silber mit einer Dicke von ungefähr 100 nm auf.A second common embodiment of an SPR sensor, known as a diffraction grating-based SPR sensor, involves the use of a metal diffraction grating instead of a glass prism. 2 shows a diffraction grating based SPR sensor 40 in which a substrate 45 is formed such that it has sinusoidal grooves. In diffraction grating-based SPR sensors, the period of the groove profile of the substrate is 45 typically between 0.4 μm and 2.0 μm. A thin metal foil 42 is outside the surface of the substrate 45 applied and has a suitable metal, such as. As aluminum, gold or silver. In one embodiment, the layer 42 Silver with a thickness of about 100 nm.

Eine Sensibilisierschicht 44 ist außerhalb der Metallfolie 42 aufgebracht. Die Sensibilisierschicht 44 ist derart gewählt, dass sie mit einer vorbestimmten chemischen, biochemischen oder biologischen Substanz 18 in einer Probe 21 interagiert. Bei einer Ausführungsform weist die Sensibilisierschicht 44 eine Antigenschicht auf, die in der Lage ist, einen komplementären Antikörper einzufangen. In letzter Zeit sind mehrere Techniken zum Verbinden von Antigenen als Empfangsmaterial mit der Folie 42 entwickelt worden, wie z. B. das Spin-Coating mit einer porösen Silica-Sol-Gel- oder Hydrogel-Matrix. Vorzugsweise hat die Sensibilisierschicht 44 eine Dicke von weniger als 100 nm.A sensitizing layer 44 is outside the metal foil 42 applied. The sensitizing layer 44 is chosen to be with a predetermined chemical, biochemical or biological substance 18 in a sample 21 interacts. In one embodiment, the sensitizing layer 44 an antigenic layer capable of trapping a complementary antibody. Recently, there have been several techniques for linking antigens as receptors with the film 42 been developed, such. As the spin-coating with a porous silica sol-gel or hydrogel matrix. Preferably, the sensitizing layer has 44 a thickness of less than 100 nm.

In 2 erzeugt die Lichtquelle 28 den Lichtstrahl 24, der derart auf den Sensor 40 auftrifft, dass der Detektor 30 den reflektierten Lichtstrahl 26 empfängt. Bei auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren tritt eine Resonanz auf und zeigt der reflektierte Lichtstrahl 26 eine Anomalie, wenn eine Polarisationskomponente des Lichtstrahls 24 orthogonal zu der Nutrichtung der Oberfläche des Substrats 45 verläuft und der Auftreffwinkel des Lichtstrahls 24 für den Energietransfer und die Anregung des Oberflächenplasmons in der dünnen Metallfolie 42 geeignet ist.In 2 creates the light source 28 the light beam 24 that on the sensor 40 that hits the detector 30 the reflected light beam 26 receives. In a diffraction grating based SPR sensors resonates and shows the reflected light beam 26 an anomaly when a polarization component of the light beam 24 orthogonal to the groove direction of the surface of the substrate 45 runs and the angle of incidence of the light beam 24 for energy transfer and excitation of the surface plasmon in the thin metal foil 42 suitable is.

Auf einem Beugungsgitter basierende SPR-Sensoren haben mehrere eindeutige Vorteile gegenüber auf einem Prisma basierenden SPR-Sensoren. Beispielsweise können die Resonanzwinkel von auf einem Beugungsgitter basie renden SPR-Sensoren durch Einstellen des Nutprofils feinabgestimmt werden. Ferner ist bei auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren keine Antireflexionsbeschichtung erforderlich. Auf einem Beugungsgitter basierende SPR-Sensoren sind jedoch insofern nachteilig, dass sich, im Gegensatz zu auf einem Prisma basierenden Sensoren, bei denen sich das auftreffende Licht durch das Prisma fortpflanzt und auf die der Probe gegenüberliegende Metallfolie auftrifft, das Licht durch die Probe fortpflanzen muss. Das Fortpflanzen durch die Probe ist nachteilig, da die Probe dazu neigt, das auftreffende Licht zu absorbieren oder zu streuen. Aus diesen Gründen sind auf einem Beugungsgitter basierende SPR-Sensoren für das Untersuchen von Flüssigkeiten, wie z. B. Blut, schlecht geeignet und werden primär auf dem Gebiet der Gasdetektierung verwendet. Ferner sind beide oben beschriebenen SPR-Sensoren auf eine hochleitende Metallfolie zum Unterstützen der Oberflächenplasmonresonanz angewiesen. Diese Metallfolie begrenzt jedoch die Wellenlänge der Resonanz auf den Rot- oder Infrarotbereich des Lichtspektrums, da bei kürzeren Wellenlängen die Leitfähigkeit selbst der besten Metalle nicht ausreicht, um starke Resonanzen zu erzeugen, was zu einer geringeren Empfindlichkeit führt.On diffraction grating based SPR sensors have several unique ones Advantages over prism-based SPR sensors. For example, the Resonance angle of a diffraction grating based SPR sensors Fine tuned by adjusting the groove profile. Further is no antireflection coating on SPR sensors based on a diffraction grating required. Grit-based SPR sensors are However disadvantageous in that, in contrast to on a Prism-based sensors that affect the incident light propagated through the prism and on the opposite of the sample Metal foil impinges, which must propagate light through the sample. The Propagating through the sample is disadvantageous because the sample tends to to absorb or scatter the incident light. From these establish are diffraction-grating-based SPR sensors for testing of liquids, such as As blood, bad and are primarily on the Area of gas detection used. Further, both are described above SPR sensors on a highly conductive metal foil to support the Surface plasmon resonance reliant. However, this metal foil limits the wavelength of the Resonance on the red or infrared region of the light spectrum, since at shorter wavelength the conductivity itself the best metals are not enough to produce strong resonances, which leads to a lower sensitivity.

In WO-A-90/08318 ist ein Biosensor mit einem dielektrischen Resonanzhohlraum beschrieben, der von einem mehrschichtigen dielektrischen Stapel begrenzt ist, welcher als dielektrischer Spiegel fungiert. Als dielektrischer Spiegel bietet der dielektrische Stapel eine nahezu vollständige innere Reflexion über einen weiten Bereich von Winkeln, um zu verhindern, dass Licht aus dem Resonanzhohlraum austritt.In WO-A-90/08318 is a biosensor with a dielectric resonant cavity described limited by a multilayer dielectric stack is, which acts as a dielectric mirror. As a dielectric Mirror, the dielectric stack provides a nearly complete inner Reflection about a wide range of angles to prevent light from coming out emerges from the resonant cavity.

In EP-A-0 175 585 ist ein dielektrischer Folienstapel beschrieben, der die Ummantelung eines hohlen Faserkerns bildet.In EP-A-0 175 585 describes a dielectric film stack, which forms the sheath of a hollow fiber core.

Aus den oben genannten und anderen nachstehend aufgeführten Gründen, die für Fachleute auf dem Sachgebiet beim Lesen der vorliegenden Erfindung offensichtlich werden, besteht auf dem Gebiet Bedarf an einem optischen Sen sor mit den Vorteilen eines auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensors, bei dem es nicht erforderlich ist, dass sich das auftreffende Licht durch die Probe fortpflanzt.Out the above and other reasons listed below, the for professionals in the art in reading the present invention There is a need in the art for an optical sensor with the advantages of a diffraction grating-based SPR sensor, which does not require that the incident light propagated through the sample.

Zusammenfassender Überblick über die ErfindungSummary overview of the invention

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Untersuchen einer Ziel-Substanz in einer Probe unter Verwendung eines Sensors gemäß Anspruch 1, 2 bzw. 10 beschrieben, mit denen die oben beschriebenen Mängel, die bei herkömmlichen auf einem Beugungsgitter und auf einem Prisma basierenden SPR-Sensoren auftreten, eliminiert werden.It discloses a method and apparatus for optical inspection a target substance in a sample using a sensor according to claim 1, 2 and 10, respectively, with which the above-described defects, the at conventional on a diffraction grating and prism-based SPR sensors occur, be eliminated.

Der erfindungsgemäße Sensor zeigt eine starke Resonanz, die in ihrer Größe den Resonanzen vergleichbar ist, die herkömmliche SPR-Sensoren normalerweise aufweisen. Anders als bei auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren kann eine Probe jedoch durch Reflexion von der Substratseite ohne Fortpflanzung von Licht durch die Probe untersucht werden. Ferner ermöglicht der Sensor das Untersuchen einer Probe mit Durchlicht. Ein Vorteil der Untersuchung mit Durchlicht liegt in der Möglichkeit, eine Quelle für diffuses Licht zu verwenden. Da der Sensor nicht auf die Verwendung leitender Metalle angewiesen ist, ermöglicht der Sensor starke Resonanzen bei kürzeren Wellenlängen als es bei herkömmlichen SPR-Sensoren der Fall ist.Of the inventive sensor shows a strong resonance comparable in size to the resonances is the conventional one Normally have SPR sensors. Unlike when on a diffraction grating based SPR sensors However, a sample can be obtained by reflection from the substrate side without Reproduction of light through the sample can be studied. Further allows the sensor examining a sample with transmitted light. An advantage The examination with transmitted light lies in the possibility of being a source of diffused To use light. Because the sensor does not rely on the use of conductive metals instructed allows the sensor has strong resonances at shorter wavelengths than it at conventional SPR sensors is the case.

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Sensor mit einem dielektrischen Folienstapel mit mehreren dielektrischen Schichten. Die dielektrischen Schichten fungieren als Wellenleiter, so dass sich ein Teil des auftreffenden Lichts in mindestens einem Auftreffwinkel in dem dielektrischen Folienstapel fortpflanzt. Bei einer Ausführungsform sind die dielektrischen Schichten aus einem dielektrischen Material gefertigt, das entweder aus einem ersten dielektrischen Material mit einem ersten Brechungswinkel oder einem zweiten dielektrischen Material mit einem zweiten Brechungswinkel ausgewählt ist. Bei einer Konfiguration ist der dielektrische Folienstapel derart ausgebildet, dass das dielektrische Material der dielektrischen Schichten zwischen dem ersten dielektrischen Material und dem zweiten dielektrischen Material alterniert. Der dielektrische Folienstapel kann als dielektrischer Spiegel ausgebildet sein, so dass auf den Sensor auftreffendes Licht im wesentlichen von dem Sensor reflektiert wird, oder als Antireflexions-Folienstapel ausgebildet sein, so dass auftreffendes Licht im wesentlichen unreflektiert durch den Sensor durchgelassen wird.According to one Aspect, the invention relates to a sensor with a dielectric Film stack with multiple dielectric layers. The dielectric Layers act as waveguides, so that is part of the incident light in at least one angle of incidence in the dielectric Film pile propagates. In one embodiment, the dielectric Layers made of a dielectric material that either of a first dielectric material having a first refractive angle or a second dielectric material having a second refractive angle selected is. In one configuration, the dielectric film stack is such formed such that the dielectric material of the dielectric Layers between the first dielectric material and the second dielectric material alternated. The dielectric film stack can be designed as a dielectric mirror, so that the sensor incident light is substantially reflected by the sensor, or be designed as an antireflection film stack, so that incident Light transmitted substantially unreflected by the sensor becomes.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Abtastsystem mit einem Sensor mit einem Stapel aus dielektrischen Schichten. Eine Lichtquelle setzt den Sensor einem Lichtstrahl aus. Die dielektrischen Schichten fungieren als Wellenleiter, so dass sich ein Teil des auftreffenden Lichts in mindestens einem Auftreffwinkel in dem dielektrischen Folienstapel fortpflanzt. Ein Detektor empfängt Licht von dem Sensor und erzeugt ein Ausgangssignal, das die Stärke des empfangenen Lichts repräsentiert. Ein Kontroller ist mit dem Detektor gekoppelt und berechnet ein Maß der Substanz in der Probe in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal. Bei einer Ausführungsform erzeugt ein Diffusor den von der Lichtquelle kommenden auftreffenden diffusen Lichtstrahl, und eine Linse fokussiert das in einem Durchlasswinkel durch den Sensor auf ein entsprechendes Element des Detektorarrays durchgelassene Licht.In another aspect, the invention relates to a scanning system having a sensor with a stack of dielectric layers. A light source exposes the sensor to a light beam. The dielectric layers act as waveguides, so that a portion of the incident light propagates in at least one incident angle in the dielectric film stack. A detector receives light from the sensor and generates an output signal that represents the strength of the received light. A controller is coupled to the detector and calculates a measure of the substance in the sample as a function of the output signal. In one embodiment, a diffuser produces the incident diffused light beam from the light source and a lens focuses the light transmitted through a passage angle through the sensor onto a corresponding element of the detector array.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Untersuchen einer Ziel-Substanz in einer Probe. Ein Sensor interagiert mit der eine Ziel-Substanz enthaltenden Probe. Der Sensor weist einen dielektrischen Folienstapel mit mehreren dielektrischen Schichten auf, die als Wellenleiter für auftreffendes Licht fungieren. Ein Maß der Ziel-Substanz in der Probe wird in Abhängigkeit von einer Verschiebung einer detektierten optischen Anomalie von von dem Sensor kommendem Licht bestimmt. Bei einer Ausführungsform wird das Maß durch Detektieren einer optischen Anomalie in von dem Sensor reflektiertem Licht bestimmt. Bei einer weiterten Ausführungsform umfasst das Maß das Detektieren einer optischen Anomalie in durch den Sensor durchgelassenem Licht.According to one In another aspect, the invention relates to a method for testing a target substance in a sample. A sensor interacts with the a target substance containing sample. The sensor has a dielectric Film stack with several dielectric layers on, as Waveguide for act incident light. A measure of the target substance in the Sample will depend on a shift of a detected optical anomaly from determines the light coming from the sensor. In one embodiment the measure gets through Detecting an optical anomaly in reflected from the sensor Light determines. In a further embodiment, the measure comprises detecting an optical anomaly in light transmitted through the sensor.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich.These and other features and advantages of the invention will be apparent from the following detailed description of the preferred embodiments of Invention obvious.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Abtastsystems mit einem auf einem Prisma basierenden Oberflächenplasmonresonanz-Sensors; 1 shows a schematic side view of a scanning system with a prism based surface plasmon resonance sensor;

2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Abtastsystems mit einem auf einem Beugungsgitter basierenden Oberflächenplamsonresonanz-Sensor; 2 shows a schematic side view of a scanning system with a diffraction grating-based Oberflächenplamsonresonanz- sensor;

3 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Sensors mit einem dielektrischen Folienstapel; und 3 shows a cross section of an embodiment of an optical sensor according to the invention with a dielectric film stack; and

4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Abtastsystems zum Untersuchen einer Substanz in einer Probe durch Belichten eines einen dielektrischen Folienstapel aufweisenden Sensors und Detektieren einer Verschiebung in einem oder mehreren Resonanzwinkeln. 4 FIG. 12 shows a schematic side view of an embodiment of a scanning system for examining a substance in a sample by exposing a sensor comprising a dielectric film stack and detecting a displacement at one or more resonance angles.

Detaillierte Beschreibungdetailed description

In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die spezifische Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Es können elektrische, mechanische und strukturelle Veränderungen an den Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne dass dadurch vom Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Die folgende detaillierte Beschreibung darf daher nicht als Einschränkung angesehen werden, und der Umfang der vorliegenden Erfindung ist durch die beiliegenden Patentansprüche definiert.In The following detailed description is attached to the attached Referring to the drawings, the specific embodiments of the invention demonstrate. It can electrical, mechanical and structural changes to the embodiments without prejudice to the scope of the present Deviated from the invention. The following detailed description should not be considered as a restriction and the scope of the present invention defined by the appended claims.

3 zeigt ein Querschnittsprofil eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 50. Es hat sich herausgestellt, dass ein optischer Sensor konstruiert werden kann, der Resonanzwinkel aufweist, die denen herkömmlicher SPR-Sensoren vergleichbar sind, mit dem jedoch viele der oben beschriebenen Nachteile eliminiert werden können. Insbesondere wird bei dem Sensor 50 ein dielektrischer Folienstapel anstelle einer dünnen Metallfolie verwendet. Der Sensor 50 weist ein Substrat 51 mit einer Fläche 53, in der sinusförmige Nuten ausgebildet sind, auf. Die Periode des Nutprofils der Fläche 53 kann zwischen unter 0,4 μm und über 2,0 μm liegen. Andere Nutprofile, wie z. B. trapezförmig, quadratisch etc., sind ebenfalls für die Erfindung geeignet. 3 shows a cross-sectional profile of an optical sensor according to the invention 50 , It has been found that an optical sensor can be constructed which has resonance angles comparable to those of conventional SPR sensors, but with which many of the disadvantages described above can be eliminated. In particular, in the sensor 50 used a dielectric film stack instead of a thin metal foil. The sensor 50 has a substrate 51 with a surface 53 , are formed in the sinusoidal grooves on. The period of the groove profile of the surface 53 can be between less than 0.4 μm and more than 2.0 μm. Other groove profiles, such. B. trapezoidal, square, etc., are also suitable for the invention.

Außerhalb der Fläche 53 des Substrats 51 sind mehrere transparente dielektrische Schichten 52 ausgebildet, die gemeinsam einen dielektrischen Folienstapel auf der Fläche 53 des Substrats 51 bilden. Obwohl auf diese Weise dargestellt, brauchen die dielektrischen Schichten 52 nicht dem Oberflächenprofil des Substrats 51 angepasst zu sein. Wie nachstehend genauer erläutert, zeigt der Sensor 50 starke Resonanzen, die in ihrer Größe den normalerweise bei SPR-Sensoren auftretenden Resonanzen vergleichbar sind. Bei einer Ausführungsform sind die dielektrischen Schichten 52 des dielektrischen Folienstapels derart konfiguriert, dass sie als dielektrischer Spiegel fungieren, der bei Nichtresonanzwinkeln im wesentlichen den gesamten Lichtstrahl 62 reflek tiert. Insbesondere reflektiert jede dielektrische Schicht 52 des dielektrischen Folienstapels einen Teil des Lichtstrahls 62 als Lichtstrahl 66. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da, anders als bei auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren, die Probe 21 unter Verwendung eines auf das Substrat auftreffenden Lichtstrahls 62 untersucht werden kann, so dass sich der Lichtstrahl 62 nicht durch die Probe 21 fortzupflanzen braucht. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor 50 nicht als dielektrischer Spiegel konstruiert, sondern als Antireflexions-Folienstapel. Bei dieser Konfiguration durchläuft der Lichtstrahl 62 bei Nichtresonanzwinkeln den Sensor 50 im wesentlichen ohne Diffusion oder Reflexion und tritt als Lichtstrahl 64 aus. Auf diese Weise wirkt der dielektrische Folienstapel des Sensors 50, wenn er als dielektrischer Antireflexions-Folienstapel ausgebildet ist, direkt entgegengesetzt dem Fall, in dem er als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist. Die Konfiguration des dielektrischen Folienstapels entweder als dielektrischer Spiegel oder als Antireflexions-Folienstapel ist nachstehend genauer erläutert.Outside the area 53 of the substrate 51 are several transparent dielectric layers 52 formed, which together a dielectric film stack on the surface 53 of the substrate 51 form. Although illustrated in this way, the dielectric layers need 52 not the surface profile of the substrate 51 to be adapted. As explained in more detail below, the sensor shows 50 strong resonances that are comparable in size to the resonances that normally occur with SPR sensors. In one embodiment, the dielectric layers are 52 of the dielectric film stack is configured to act as a dielectric mirror, which at substantially non-resonant angles substantially the entire light beam 62 Reflected. In particular, each dielectric layer reflects 52 of the dielectric film stack a part of the light beam 62 as a ray of light 66 , This embodiment is advantageous in that, unlike SPR sensors based on a diffraction grating, the sample 21 using a light beam incident on the substrate 62 can be examined, so that the light beam 62 not through the sample 21 needs to reproduce. In another embodiment, the sensor is 50 not constructed as a dielectric mirror, but as an antireflection film stack. In this configuration, the light beam passes through 62 at non-resonance angles the sensor 50 essentially without diffusion or reflection and emerges as a light beam 64 out. That's how it works the dielectric film stack of the sensor 50 when formed as a dielectric antireflection film stack, directly opposite to the case where it is formed as a dielectric mirror. The configuration of the dielectric film stack, either as a dielectric mirror or as an antireflection film stack, will be explained in more detail below.

Unabhängig davon, ob der dielektrische Folienstapel als dielektrischer Spiegel oder Antireflexions-Folienstapel vorgesehen ist, fungiert der dielektrische Folienstapel bei den Resonanzwinkeln als Wellenleiter, und zwar derart, dass der reflektierte Lichtstrahl 66 und der durchgelassene Lichtstrahl 64 starke Anomalien zeigen. Bei den Resonanzwinkeln wird Energie von dem Lichtstrahl 62 zu den dielektrischen Schichten 52 des dielektrischen Folienstapel übermittelt, so dass die dielektrischen Schichten 52 gemeinsam als Wellenleiter fungieren. Wenn die dielektrischen Schichten 52 gemeinsam als Wellenleiter fungieren, pflanzt sich ein finiter Teil des auftreffenden Lichtstrahls 62 innerhalb des dielektrischen Folienstapels fort. Wenn der dielektrische Folienstapel als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist, durchläuft das restliche Licht, das sich nicht innerhalb des dielektrischen Folienstapels fortpflanzt, den Sensor 50 und tritt als Lichtstrahl 64 aus, wodurch eine starke Dämpfung des reflektierten Lichts 66 und eine starke Intensivierung des durchgelassenen Lichts 64 bewirkt wird. Wenn jedoch der dielektrische Folienstapel als Antireflexions-Folienstapel ausgebildet ist, wird das restliche Licht als Lichtstrahl 66 reflek tiert, wodurch eine starke Dämpfung des durchgelassenen Lichts 64 und eine starke Intensivierung des reflektierten Lichts 66 bewirkt wird.Regardless of whether the dielectric film stack is provided as a dielectric mirror or antireflection film stack, the dielectric film stack functions as a waveguide at the resonance angles, such that the reflected light beam 66 and the transmitted light beam 64 show strong anomalies. At the resonance angles energy from the light beam 62 to the dielectric layers 52 transmitted to the dielectric film stack, so that the dielectric layers 52 act together as a waveguide. When the dielectric layers 52 acting together as a waveguide, a finite part of the incident light beam is planted 62 continued within the dielectric film stack. When the dielectric film stack is formed as a dielectric mirror, the residual light that does not propagate within the dielectric film stack traverses the sensor 50 and enters as a ray of light 64 out, resulting in a strong attenuation of the reflected light 66 and a strong intensification of the transmitted light 64 is effected. However, when the dielectric film stack is formed as an antireflection film stack, the remaining light becomes a light beam 66 Reflected, creating a strong attenuation of the transmitted light 64 and a strong intensification of the reflected light 66 is effected.

Eine Sensibilisierschicht 58 ist außerhalb der äußersten dielektrischen Schicht 52 ausgebildet und zum Interagieren mit einer vorbestimmten chemischen, biochemischen oder biologischen Substanz 18 in der Probe 21 ausgewählt. Wenn sich die Ziel-Substanz 18 mit der Sensibilisierschicht 58 verbindet, erfolgt eine Verschiebung der Resonanzwinkel aufgrund der Veränderung des Brechungsindexes des Sensors 50. Ein quantitatives Maß der Konzentration der Ziel-Substanz 18 kann anhand der Größe der Verschiebung des Resonanzwinkels durch Überwachen entweder des reflektierten Lichts 66 oder des durchgelassenen Lichts 64 berechnet werden. Somit liegt ein Vorteil des Sensors 50 gegenüber herkömmlichen SPR-Sensoren darin, dass der Sensor 50 in auf Reflexion basierenden Abtastsystemen oder auf Durchlässigkeit basierenden Abtastsystemen verwendet werden kann.A sensitizing layer 58 is outside the outermost dielectric layer 52 designed and for interacting with a predetermined chemical, biochemical or biological substance 18 in the sample 21 selected. If the target substance 18 with the sensitizing layer 58 connects, there is a shift in the resonance angle due to the change in the refractive index of the sensor 50 , A quantitative measure of the concentration of the target substance 18 can be determined by the magnitude of the shift of the resonance angle by monitoring either the reflected light 66 or the transmitted light 64 be calculated. Thus, there is an advantage of the sensor 50 compared to conventional SPR sensors in that the sensor 50 can be used in reflection-based scanning systems or in transmission-based scanning systems.

Bei einer Ausführungsform ist der dielektrische Folienstapel durch Ausbilden jeder dielektrischen Schicht mit einem dielektrischen Material, das aus einem ersten dielektrischen Material und einem zweiten dielektrischen Material ausgewählt ist, als dielektrischer Spiegel vorgesehen. Das erste dielektrische Material hat einen ersten Brechungsindex, während das zweite dielektrische Material einen zweiten Brechungsindex hat. Bei einer besonders vorteilhaften Konfiguration ist der Stapel aus dielektrischen Schichten derart ausgebildet, dass das dielektrische Material der dielektrischen Schichten zwischen dem ersten dielektrischen Material und dem zweiten dielektrischen Material alterniert. Beispielsweise sind bei einer Ausführungsform sind die dielektrischen Materialien der dielektrischen Schichten 52 derart ausgewählt, dass die dielektrischen Schichten 521 und 523 einen hohen Brechungsindex haben, während die dielektrische Schicht 522 einen niedrigen Brechungsindex hat. Diese Konfiguration ist vorteilhaft, da die Größe der Anomalien der Lichtstrahlen 64 und 66 wesentlich und leichter detektierbar sind, wodurch die Empfindlichkeit des Sensors 50 erhöht wird.In one embodiment, the dielectric film stack is provided as a dielectric mirror by forming each dielectric layer with a dielectric material selected from a first dielectric material and a second dielectric material. The first dielectric material has a first refractive index while the second dielectric material has a second refractive index. In a particularly advantageous configuration, the stack of dielectric layers is formed such that the dielectric material of the dielectric layers alternates between the first dielectric material and the second dielectric material. For example, in one embodiment, the dielectric materials are the dielectric layers 52 selected such that the dielectric layers 52 1 and 52 3 have a high refractive index while the dielectric layer 52 2 has a low refractive index. This configuration is advantageous because the size of the anomalies of the light rays 64 and 66 are significantly and easily detectable, reducing the sensitivity of the sensor 50 is increased.

Wenn der Lichtstrahl 62 den dielektrischen Folienstapel des Sensors 50 durchdringt, wird ein Teil des Lichtstrahls 62 an jeder dielektrischen Schicht 52 reflektiert. Insbesondere wird, wenn der Lichtstrahl 62 eine vorgegebene dielektrische Schicht 52 durchdringt, ein Teil des Lichts an der Oberfläche der nächsten dielektrischen Schicht 52 reflektiert. Somit beträgt, wenn der Lichtstrahl 62 senkrecht auf den dielektrischen Folienstapel auftrifft, die in einer vorgegebenen dielektrischen Schicht zurückgelegte Gesamtstrecke ungefähr das Doppelte der Dicke t der dielektrischen Schicht, d. h. 2t. Zum Ausbilden des dielektrischen Folienstapels als dielektrischer Spiegel, so dass der Lichtstrahl 62 von dem Sensor 50 im wesentlichen als Lichtstrahl 66 reflektiert wird, wird jede dielektrische Schicht 52 mit einer ungefähren Dicke t ausgebildet, die durch folgende Gleichung definiert ist:

Figure 00110001
wobei λ die Wellenlänge des Lichtstrahls 62, n der Brechungsindex der dielektrischen Schicht, die ausgebildet wird, und m eine beliebige positive ganze Zahl ist. Für andere Auftreffwinkel ist diese Gleichung auf einfache Weise modifizierbar.When the light beam 62 the dielectric film stack of the sensor 50 penetrates, becomes part of the light beam 62 at each dielectric layer 52 reflected. In particular, when the light beam 62 a given dielectric layer 52 penetrates a portion of the light at the surface of the next dielectric layer 52 reflected. Thus, when the light beam 62 perpendicular to the dielectric film stack, the total distance traveled in a given dielectric layer is approximately twice the thickness t of the dielectric layer, ie 2t. For forming the dielectric film stack as a dielectric mirror, so that the light beam 62 from the sensor 50 essentially as a light beam 66 is reflected, each dielectric layer 52 formed with an approximate thickness t, which is defined by the following equation:
Figure 00110001
where λ is the wavelength of the light beam 62 , n is the refractive index of the dielectric layer that is formed, and m is an arbitrary positive integer. For other landing angles, this equation is easily modifiable.

Wenn jede dielektrische Schicht gemäß der vorstehenden Gleichung ausgebildet ist, und m gleich Null ist, beträgt die in einer vorgegebenen dielektrischen Schicht zurückgelegte Gesamtstrecke λ/2n. Dies entspricht einer in jeder dielektrischen Schicht zurückgelegten "optischen" Gesamtstrecke von einer halben Wellenlänge des Lichts, nämlich λ/2, was einer Retardierung von 180° entspricht.If each dielectric layer according to the above Equation is formed, and m is zero, the in a given dielectric layer covered total distance λ / 2n. This corresponds to an "optical" total distance traveled by each dielectric layer half a wavelength of light, namely λ / 2, which is one Retardation of 180 ° corresponds.

An der Reflexionsfläche kommt es zu einer weiteren Retardierung um 180°, wenn die durchlaufene dielektrische Schicht einen hohen Brechungsindex n und die nächste dielektrische Schicht einen niedrigen Index hat. Daher erfährt an jeder dieser Grenzflächen mit hohem Index/niedrigen Index der reflektierte Lichtstrahl 66 eine Gesamt-Retardierung von 360° und kehrt phasengleich mit demjenigen Teil des Lichtstrahls 66, der von dieser Oberfläche reflektiert worden ist, zu der Oberfläche der durchlaufenen dielektrischen Schicht 52 zurück. Wenn der dielektrische Folienstapel gemäß der vorstehenden Gleichung ausgebildet ist und die dielektrischen Schichten 52 zwischen hohem Index und niedrigem Index alternieren, ist der gesamte intern reflektierte Lichtstrahl 66 in Phase, wodurch eine Verstärkung bewirkt wird, die zu einem beträchtlichen Reflexionsvermögen führt. Beispielsweise kann bei dieser Konfiguration der Sensor 50 derart ausgebildet sein, dass mindestens 50% oder sogar mindestens 90% des Lichtstrahls 62 reflektiert wird. Der dielektrische Folienstapel fungiert als dielektrischer Spiegel, wenn die dielektrischen Schichten gemäß der vorstehenden Gleichung mit einer beliebigen positiven ganzen Zahl m ausgebildet sind. Wenn m größer wird, vergrößert sich die Dicke t um λ, so dass sich die in einer dielektrischen Schicht durchlaufene "optische" Gesamtstrecke um eine volle Wellenlänge λ erhöht, was zu einer Verstärkung und einem beträchtlichen Reflexionsvermögen des Lichtstrahls 62 führt.At the reflection surface there is a further retardation by 180 ° when the continuous dielectric layer has a high refractive index n and the next dielectric layer a low index has. Therefore, at each of these high index / low index interfaces, the reflected light beam is experienced 66 a total retardation of 360 ° and reverses in phase with that part of the light beam 66 , which has been reflected from this surface, to the surface of the dielectric layer passed through 52 back. When the dielectric film stack is formed according to the above equation and the dielectric layers 52 alternate between high index and low index is the total internally reflected light beam 66 in phase, whereby a gain is produced, which leads to a considerable reflectivity. For example, in this configuration, the sensor 50 be formed such that at least 50% or even at least 90% of the light beam 62 is reflected. The dielectric film stack functions as a dielectric mirror when the dielectric layers are formed according to the above equation with any positive integer m. As m increases, the thickness t increases by λ, so that the "total optical" distance traveled in a dielectric layer increases by a full wavelength λ, resulting in amplification and considerable reflectivity of the light beam 62 leads.

Bei einer Ausführungsform wird das für eine Gruppe der alternierenden dielektrischen Schichten, wie z. B. der dielektrischen Schichten 521 und 523 , verwendete Material derart ausgewählt, dass es den höchsten Brechungsindex eines dielektrischen Materials hat, das auf dem Sensor 50 ausgebildet sein kann. Beispielsweise ist Titanoxid TiO2 ein geeignetes dielektrisches Material, da es einen Brechungsindex von ungefähr 2,5 hat. Das für die anderen dielektrischen Schichten, wie z. B. die dielektrische Schicht 522 , verwendete Material wird derart ausgewählt, dass es den niedrigsten Brechungsindex eines dielektrischen Materials hat, das auf dem Sensor 50 ausgebildet sein kann. Beispielsweise ist Siliziumdioxid SiO2 ein geeignetes dielektrisches Material, da es einen Brechungsindex von ungefähr 1,5 hat. Das Auswählen der dielektrischen Materialien für die dielektrischen Schichten 52 führt bei den meisten Winkeln zu einem dielektrischen Spiegel mit einem hohen Reflexionsvermögen, das häufig an 90% heranreicht, wobei jedoch eine starke Dämp fung bei den Resonanzwinkeln, die häufig an 0% reflektierten Lichts heranreicht, erfolgt. Ferner kann ein geeignetes dielektrisches Material für die dielektrische Schicht 522 einen entsprechenden Brechungsindex haben, der an 1,8 heranreicht. Ähnlich kann ein geeignetes dielektrisches Material für die dielektrischen Schichten 521 und 523 einen entsprechenden Brechungswinkel von mindestens 2,2 haben. Ferner steigt die Größe der gezeigten Anomalie mit einer größer werdenden Anzahl von dielektrischen Schichten; die Größe der winkelmäßigen Verschiebung führt jedoch eher zu einer Verringerung. Daher muss ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden Charakteristiken bestimmt werden. Obwohl eine andere Anzahl von Schichten akzeptabel ist, hat sich bei Experimenten herausgestellt, dass fünf bis fünfzehn dielektrische Schichten zu guten Ergebnissen führen, wobei sich eine Anzahl von elf Schichten als besonders gut erwiesen hat.In one embodiment, this is for a group of alternating dielectric layers, such. B. the dielectric layers 52 1 and 52 3 The material used has been chosen to have the highest refractive index of a dielectric material on the sensor 50 can be trained. For example, titanium oxide TiO 2 is a suitable dielectric material because it has a refractive index of about 2.5. For the other dielectric layers, such as. B. the dielectric layer 52 2 The material used is selected to have the lowest refractive index of a dielectric material on the sensor 50 can be trained. For example, silicon dioxide SiO 2 is a suitable dielectric material because it has a refractive index of about 1.5. Selecting the dielectric materials for the dielectric layers 52 At most angles, this results in a dielectric mirror with a high reflectivity, which often approaches 90%, but with strong attenuation at the resonance angles, which often approach 0% of reflected light. Further, a suitable dielectric material for the dielectric layer 52 2 have a corresponding refractive index approaching 1.8. Similarly, a suitable dielectric material for the dielectric layers 52 1 and 52 3 have a corresponding refraction angle of at least 2.2. Furthermore, the size of the anomaly shown increases with an increasing number of dielectric layers; however, the magnitude of the angular displacement tends to decrease. Therefore, a balance must be determined between these two characteristics. Although a different number of layers is acceptable, it has been found in experiments that five to fifteen dielectric layers give good results, with a number of eleven layers proving particularly good.

Für die Verwendung des dielektrischen Folienstapels des Sensors 50 als dielektrischer Spiegel ist es nicht erforderlich, dass der dielektrische Folienstapel aus zwei alternierenden dielektrischen Schichten gebildet ist. Ein aus dielektrischen Schichten hergestellter Spiegel kann auch aus dielektrischen Schichten mit mehreren unterschiedlichen Brechungsindices gebildet sein. In diesem Fall ist es wichtig, dass die Dicke jeder Schicht durch die vorstehende Gleichung bestimmt ist. Ferner muss jede Schicht von anderen Schichten begrenzt sein, die beide entweder einen höheren Brechungsindex oder einen niedrigeren Brechungsindex haben. Beispielsweise kann der dielektrische Folienstapel aus drei dielektrischen Materialien mit Indices n1, n2, n3 gebildet sein, wobei n1 < n2 < n3 ist. Ein aus diesen Materialien hergestellter geeigneter dielektrischer Folienstapel kann mit der folgenden Sequenz von dielektrischen Indices ausgebildet sein: n3, n2, n3, n1, n2, n1, n3, n2, n3.For using the dielectric film stack of the sensor 50 As a dielectric mirror, it is not necessary for the dielectric film stack to be formed of two alternating dielectric layers. A mirror made of dielectric layers may also be formed of dielectric layers having a plurality of different refractive indices. In this case, it is important that the thickness of each layer is determined by the above equation. Furthermore, each layer must be bounded by other layers, both of which have either a higher refractive index or a lower refractive index. By way of example, the dielectric film stack can be formed from three dielectric materials with indices n 1 , n 2 , n 3 , where n 1 <n 2 <n 3 . A suitable dielectric film stack made from these materials may be formed with the following sequence of dielectric indices: n 3 , n 2 , n 3 , n 1 , n 2 , n 1 , n 3 , n 2 , n 3 .

Wie oben beschrieben, kann der dielektrische Folienstapel des Sensors 50 derart ausgebildet sein, dass er als dielektrischer Antireflexions-Folienstapel fungiert. Obwohl keine allgemeingültige Gleichung für das Ausbilden von Antireflexions-Folienstapel angegeben werden, kann eine iterative Vorgehenswei se unter Verwendung einer computergestützten Modellerstellung angewandt werden. Gemäß diesem Ansatz ist ein Beispiel für einen dielektrischen Antireflexions-Folienstapel auf ein Glassubstrat aufgebrachtes TiO2, SiO2 und TiO2, wobei der Brechungsindex der TiO2-Schichten 2,5 und der Brechungsindex der SiO2-Schicht und des Glassubstrats 1,5 betragen. Bei dieser Konfiguration beträgt die Dicke der TiO2-Schicht auf dem Substrat 102 nm, die Dicke der SiO2-Schicht 120 nm und die Dicke der äußeren TiO2-Schicht 114 nm. Die Stärke des reflektierten Lichts für senkrecht auf das Substrat auftreffendes Licht bei einer Wellenlänge von 635 nm beträgt im wesentlichen Null.As described above, the dielectric film stack of the sensor 50 be designed such that it acts as a dielectric antireflection film stack. Although no general equation is given for forming antireflection film stacks, an iterative approach using computational modeling may be used. According to this approach, an example of a dielectric antireflection film stack is TiO 2 , SiO 2 and TiO 2 deposited on a glass substrate, wherein the refractive index of the TiO 2 layers is 2.5 and the refractive index of the SiO 2 layer and the glass substrate is 1.5 be. In this configuration, the thickness of the TiO 2 layer on the substrate is 102 nm, the thickness of the SiO 2 layer is 120 nm, and the thickness of the outer TiO 2 layer is 114 nm. The strength of the reflected light for incident light perpendicular to the substrate at a wavelength of 635 nm is substantially zero.

4 zeigt eine Ausführungsform eines Abtastsystems 100 mit dem oben beschriebenen verbesserten optischen Sensor 50. Das Abtastsystem 100 weist eine monochromatische Lichtquelle 102 auf, wie z. B. einen Laser, der den auf einen Diffusor 105 auftreffenden Lichtstrahl 24 erzeugt. Andere Lichtquellen sind ebenfalls geeignet, einschließlich einer monochromatisches Licht erzeugenden Glühlampe, wie z. B. eine Quecksilberlampe, eine gefiltertes Licht emittierende Diode, eine mit einem Filter gekoppelte Weißlichtquelle etc. Der Diffusor 105 erzeugt einen diffusen Lichtstrahl 24, so dass das Licht 110 in einer Vielzahl von Winkeln auf den Sensor 50 auftrifft. Bei einer Ausführungsform weist die Probe Material zum Erzeugen eines diffusen Lichtstrahls auf, der derart auf den Sensor auftrifft, dass kein separater Diffusor benötigt wird. Je nach Auftreffwinkel und entsprechenden Resonanzwinkeln des Sensors 50 wird das Licht 110 durch die Probe 21 und den Sensor 50 durchgelassen und beleuchtet einen Polarisator 114, der einen polarisierten Lichtstrahl 117 mit einem elektrischen Vektor parallel oder senkrecht zu den Nuten in der Oberfläche des Sensors 50 durchlässt. 4 shows an embodiment of a scanning system 100 with the improved optical sensor described above 50 , The scanning system 100 has a monochromatic light source 102 on, such as As a laser, the on a diffuser 105 incident light beam 24 generated. Other light sources are also suitable, including a monochromatic light-generating incandescent lamp, such as a light bulb. A mercury lamp, a filtered light emitting diode, a white light source coupled to a filter, etc. The diffuser 105 he produces a diffuse light beam 24 so the light 110 in a variety of angles on the sensor 50 incident. In one embodiment, the sample includes material for generating a diffused light beam that impacts the sensor such that no separate diffuser is needed. Depending on the angle of incidence and corresponding resonance angles of the sensor 50 becomes the light 110 through the sample 21 and the sensor 50 let through and illuminate a polarizer 114 , which is a polarized beam of light 117 with an electrical vector parallel or perpendicular to the grooves in the surface of the sensor 50 pass through.

Eine Linse 115 fokussiert polarisiertes Licht 117 auf einen entsprechenden Punkt auf einem Detektorarray 120. Mit anderen Worten: das polarisierte Licht 117 tritt in einer Vielzahl von Winkeln in die Linse 115 ein und wird entsprechend dem Winkel auf das Detektorarray 120 fokussiert. Das Detektorarray 120 gibt ein Signal aus, das entsprechende Stärken des auf das Detek torarray 120 fokussierten Lichts angibt. Anhand des Signals bestimmt ein Kontroller 122 einen oder mehrere Resonanzwinkel und berechnet ein Maß der Ziel-Substanz in der Probe. Diese Konfiguration ist dahingehend besonders vorteilhaft, dass keine beweglichen Teile erforderlich sind. Bei einer Ausführungsform gibt der Kontroller 122 einen akustischen Alarm, wenn das berechnete Maß der Ziel-Substanz 18 eine vorbestimmte Schwelle übersteigt. Nach Beendigung der Abtastung kann der Sensor 50 entsorgt oder gereinigt und wiederverwendet werden.A lens 115 focuses polarized light 117 to a corresponding point on a detector array 120 , In other words, the polarized light 117 enters the lens at a variety of angles 115 and is according to the angle on the detector array 120 focused. The detector array 120 Outputs a signal indicating the corresponding strengths of the detector array 120 indicating focused light. Based on the signal, a controller determines 122 one or more resonance angles and calculates a measure of the target substance in the sample. This configuration is particularly advantageous in that no moving parts are required. In one embodiment, the controller outputs 122 an audible alarm when the calculated measure of the target substance 18 exceeds a predetermined threshold. After completion of the scan, the sensor 50 disposed of or cleaned and reused.

Es sind mehrere Ausführungsformen eines optischen Untersuchungsverfahrens und einer optischen Untersuchungsvorrichtung beschrieben worden. Bei einer Ausgestaltung handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um einen optischen Sensor mit einem dielektrischen Folienstapel, der mehrere dielektrische Schichten aufweist. Jede dielektrische Schicht weist ein dielektrisches Material auf, das aus einem ersten dielektrischen Material mit einem ersten Brechungsindex und einem zweiten dielektrischen Material mit einem zweiten Brechungsindex ausgewählt ist. Bei einer Ausführungsform ist der dielektrische Folienstapel derart ausgebildet, dass das dielektrische Material der dielektrischen Schichten zwischen dem ersten dielektrischen Material und dem zweiten dielektrischen Material alterniert. Der dielektrische Folienstapel ist entweder als dielektrischer Spiegel ausgebildet, und zwar derart, dass auf den Sensor auftreffendes Licht von dem Sensor reflektiert wird, oder als Antireflexions-Folienstapel ausgebildet, und zwar derart, dass sich auf den Lichtstrahl auftreffendes Licht durch den Sensor fortpflanzt.It are several embodiments an optical inspection method and an optical inspection device been described. In one embodiment, it is of the present invention to an optical sensor with a dielectric Film stack comprising a plurality of dielectric layers. each Dielectric layer comprises a dielectric material, the of a first dielectric material having a first refractive index and a second dielectric material having a second refractive index. In one embodiment the dielectric film stack is formed such that the dielectric Material of the dielectric layers between the first dielectric Material and the second dielectric material alternated. Of the dielectric film stack is either as a dielectric mirror formed, in such a way that incident on the sensor Light is reflected from the sensor, or formed as an antireflection film stack, in such a way that incident on the light beam light propagated through the sensor.

Der Sensor ist einfach herstellbar, so dass die Resonanzwinkel auf einfache Weise abgestimmt werden können, wobei dennoch die auf einem Beugungsgitter basierenden SPR-Sensoren auferlegten Begrenzungen überwunden werden. Insbesondere wird bei dem Sensor ein dielektrischer Folienstapel anstelle einer dünnen Metallfolie verwendet. Der Sensor zeigt eine Resonanz, die in ihrer Größe den Resonanzen vergleichbar ist, die normalerweise bei herkömmlichen SPR-Sensoren auftreten. Anders als bei auf einem Beugungsgit ter basierenden SPR-Sensoren kann eine Probe jedoch durch Reflexion von der Substratseite untersucht werden, ohne dass sich das Licht durch die Probe fortpflanzt. Ferner ermöglicht es der Sensor, dass eine Probe mit Durchlicht untersucht wird. Ein Vorteil des Untersuchens mit Durchlicht liegt in der Möglichkeit, eine Quelle für diffuses Licht zu verwenden. Da der Sensor nicht auf die Verwendung von leitenden Metallen angewiesen ist, ermöglicht der Sensor ferner starke Resonanzen bei kürzeren Wellenlängen als es bei herkömmlichen SPR-Sensoren der Fall ist.Of the Sensor is easy to manufacture, so the resonance angle to simple Can be tuned, however, the diffraction grating based SPR sensors overcome limitations imposed become. In particular, the sensor uses a dielectric film stack a thin one Used metal foil. The sensor shows a resonance in its Size the resonances comparable to those normally encountered with conventional SPR sensors. Unlike with diffraction grating based SPR sensors However, a sample can be examined by reflection from the substrate side without the light propagating through the sample. Further allows it is the sensor that examines a sample with transmitted light. One The advantage of studying with transmitted light lies in the possibility a source for to use diffused light. Because the sensor is not on the use relied on conductive metals, the sensor also allows strong Resonances at shorter wavelength than traditional SPR sensors the case is.

Claims (12)

Sensor zum optischen Untersuchen einer Substanz in einer Probe, mit – einem Substrat (51) mit einer genuteten Fläche (53), – einem auf der genuteten Fläche (53) des Substrats (51) ausgebildeten Wellenleiter (52), und – einer auf einer Fläche des Wellenleiters (52) gegenüber dem Substrat (51) ausgebildeten Sensibilisierschicht (58) zum Interagieren mit der Substanz (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (52) – ein dielektrischer Folienstapel mit mehreren dielektrischen Schichten (521 , 522 , 523 ) ist, wobei ferner die Dicke und der Brechungsindex jeder dielektrischen Schicht (521 , 522 , 523 ) derart ausgewählt sind, dass bei mindestens einem Auftreffwinkel der dielektrische Folienstapel (52) als Wellenleiter für auf den Sensor (50) auftreffendes Licht fungiert.Sensor for optically examining a substance in a sample, comprising - a substrate ( 51 ) with a grooved surface ( 53 ), - one on the grooved surface ( 53 ) of the substrate ( 51 ) trained waveguides ( 52 ), and - one on a surface of the waveguide ( 52 ) relative to the substrate ( 51 ) sensitizing layer ( 58 ) for interacting with the substance ( 18 ), characterized in that the waveguide ( 52 ) - a dielectric film stack with a plurality of dielectric layers ( 52 1 . 52 2 . 52 3 ), wherein furthermore the thickness and the refractive index of each dielectric layer ( 52 1 . 52 2 . 52 3 ) are selected such that at least one angle of incidence of the dielectric film stack ( 52 ) as a waveguide for the sensor ( 50 ) incident light acts. Sensor nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei der dielektrischen Schichten (521 , 522 , 523 ) ein aus einem ersten dielektrischen Material und einem zweiten dielektrischen Material ausgewähltes dielektrisches Material aufweisen, das erste dielektrische Material einen ersten Brechungsindex n1 und das zweite dielektrische Material einen zweiten Brechungsindex n2 aufweist, und der dielektrische Folienstapel derart ausgebildet ist, dass das dielektrische Material der dielektrischen Schichten (521 , 522 , 523 ) zwischen dem ersten dielektrischen Material und dem zweiten dielektrischen Material alterniert.Sensor according to claim 1, wherein at least two of the dielectric layers ( 52 1 . 52 2 . 52 3 ) comprise a dielectric material selected from a first dielectric material and a second dielectric material, the first dielectric material has a first refractive index n 1 and the second dielectric material has a second refractive index n 2 , and the dielectric film stack is formed such that the dielectric material the dielectric layers ( 52 1 . 52 2 . 52 3 ) alternates between the first dielectric material and the second dielectric material. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der dielektrische Folienstapel (52) als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist, so dass das auf den Sensor (50) auftreffende Licht von dem Sensor reflektiert wird, wenn der dielektrische Folienstapel nicht als Wellenleiter fungiert.Sensor according to Claim 1 or 2, in which the dielectric film stack ( 52 ) is formed as a dielectric mirror, so that on the sensor ( 50 ) is reflected by the sensor when the dielectric film stack is not as Waveguide acts. Sensor nach Anspruch 3, bei dem der dielektrische Folienstapel (52) derart ausgebildet ist, dass, wenn der dielektrische Folienstapel als Wellenleiter fungiert, das reflektierte Licht eine Dämpfung von im wesentlichen mindestens 50% aufweist.Sensor according to Claim 3, in which the dielectric film stack ( 52 ) such that, when the dielectric film stack functions as a waveguide, the reflected light has an attenuation of substantially at least 50%. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der dielektrische Folienstapel (52) als Antireflexions-Folienstapel ausgebildet ist, so dass das auftreffende Licht den Sensor (50) durchläuft, wenn der dielektrische Folienstapel (52) nicht als Wellenleiter fungiert, und das durchgelassene Licht eine Dämpfung von in wesentlichen mindestens 50% aufweist, wenn der dielektrische Folienstapel (52) als Wellenleiter fungiert.Sensor according to Claim 1 or 2, in which the dielectric film stack ( 52 ) is formed as an antireflection film stack, so that the incident light the sensor ( 50 ) passes through when the dielectric film stack ( 52 ) does not function as a waveguide, and the transmitted light has an attenuation of substantially at least 50% when the dielectric film stack ( 52 ) acts as a waveguide. Sensor nach Anspruch 2, bei dem der erste Brechungsindex n1 im wesentlichen nicht größer als 1,8 ist und ferner der zweite Brechungsindex n2 im wesentlichen nicht kleiner als 2,2 ist.A sensor according to claim 2, wherein the first refractive index n 1 is substantially not greater than 1.8 and further the second refractive index n 2 is substantially not less than 2.2. Sensor nach Anspruch 2, bei dem das erste dielektrische Material Siliziumdioxid und das zweite dielektrische Material Titandioxid ist.Sensor according to claim 2, wherein the first dielectric Material silicon dioxide and the second dielectric material titanium dioxide is. Abtastsystem zum optischen Untersuchen einer Substanz in einer Probe, mit – einer Licht erzeugenden Lichtquelle (102), – einem Sensor (50) nach einem Ansprüche 1 bis 7, – einem Detektor (120), der Licht von dem Sensor (50) empfängt und in Abhängigkeit von der Lichtstärke ein Ausgangssignal erzeugt, und – einem mit dem Detektor (120) gekoppelten Kontroller (122) zum Berechnen eines Maßes der Substanz (18) in der Probe (21) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal.Scanning system for optically examining a substance in a sample, comprising - a light-generating light source ( 102 ), - a sensor ( 50 ) according to one of claims 1 to 7, - a detector ( 120 ), the light from the sensor ( 50 ) and generates an output signal depending on the light intensity, and - one with the detector ( 120 ) coupled controllers ( 122 ) for calculating a measure of the substance ( 18 ) in the sample ( 21 ) in response to the output signal. Abtastsystem nach Anspruch 8, bei dem die Lichtquelle (102) einen Diffusor (105) zum Erzeugen eines auf den Sensor (50) auftreffenden diffusen Lichtstrahls aufweist, wobei das Abtastsystem ferner einen Polarisator (114) zum Polarisieren von von dem Detektor (120) empfangendem Licht aufweist, und wobei die Lichtquelle (102) eine monochromatische Lichtquelle ist.Scanning system according to Claim 8, in which the light source ( 102 ) a diffuser ( 105 ) for generating one on the sensor ( 50 ) incident diffuse light beam, the scanning system further comprising a polarizer ( 114 ) for polarizing the detector ( 120 ) receiving light, and wherein the light source ( 102 ) is a monochromatic light source. Verfahren zum Untersuchen einer Probe, mit folgenden Schritten – Interagierenlassen eines Sensors (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einer Probe (21) mit einer Ziel-Substanz (18), und – Bestimmen eines Maßes der Ziel-Substanz (18) in der Probe (21) in Abhängigkeit von einer detektierten optischen Anomalie des von dem Sensor (50) kommenden Lichts.Method for examining a sample, comprising the following steps - allowing a sensor to interact ( 50 ) according to one of claims 1 to 7 with a sample ( 21 ) with a target substance ( 18 ), and - determining a measure of the target substance ( 18 ) in the sample ( 21 ) in response to a detected optical anomaly of the sensor ( 50 ) coming light. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Bestimmen des Maßes das Detektieren einer optischen Anomalie in von dem Sensor (50) reflektiertem oder durchgelassenem Licht umfasst.The method of claim 10, wherein determining the measure comprises detecting an optical anomaly in the sensor. 50 ) comprises reflected or transmitted light. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Bestimmen des Maßes das Beleuchten des Sensors (50) mit diffusem Licht (110) und das Detektieren einer optischen Anomalie in durch den Sensor (50) durchgelassenem Licht durch Fokussieren des durchgelassenen Lichts auf ein Detektorarray (120) entsprechend einem Durchlasswinkel des durchgelassenen Lichts umfasst.The method of claim 10, wherein determining the measure includes illuminating the sensor. 50 ) with diffused light ( 110 ) and detecting an optical anomaly in the sensor ( 50 ) transmitted light by focusing the transmitted light on a detector array ( 120 ) corresponding to a transmission angle of the transmitted light.
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